曹 佳， 严培辉， 刘江华， 江金光

(1. 武汉大学 基础医学实验教学示范中心，武汉 430071；2. 武汉大学 a. 卫星导航定位技术研究中心；b. 物理科学与技术学院，武汉 430079)

0 引 言

随着社会和经济的迅速发展，生物医学、健康类的课题成为人类科学研究热点。近年来，各高校在生物、医学等研究与教学方面的投入迅速提高，生物医学类实验室平台建设成为了学科评估的关键要素，更是展现一个学校生物医学研究能力强弱的关键。实验平台的硬件平台建设、安全管理已经成为决定高校及科研院所科研能力的重要因素。在实验平台上如何对危险试剂、重大仪器设备、实验人员安全管理培训以及实验室环境综合因素等进行实时安全管理工作是实验平台高效、安全运行所面临的迫切且十分重要的任务。

生物医学类实验平台的管理需做到分类管理、实时监控、预防为主。相关安全管理系统的研究应系统分析实验平台各关键因素的构成及所存在的各种隐患，做到预防为主、实时监控、分类管理及处理，而不是事后对安全事故进行控制及处理，将可能的一切危险因素防范于未然状态[1-3]。近年来，随着物联网技术的迅速发展，将先进、便利、把控性好的物联网传感及传输技术引入生物医学类实验平台，构建一个安全、高效、实时掌控的实验平台管理系统[4]。本文主要探究开放式生物医学实验平台的安全管理要素、基于物联网智能传感及通信传输技术策略和开放平台的安全、高效运行及管理实现。

1 生物医学类实验平台安全要素分类及分析

1.1 危险生化用品

生物医学类实验室中试剂用品种类繁多，其中包括有常规的化学试剂、生物制剂、医用药品，也包括各种危险化学品，如有毒有害的化学试剂、生物制剂及放射性同位素等。如果这些有毒、易燃易爆危险试剂及有生物危害的生物制品缺乏安全有效的实时监管和防护措施将会对实验室及相关人员身体健康造成直接或潜在危害。有毒试剂若发生泄漏和流失，将会对外界社会造成巨大危害[5]。因此，对与生物医学类实验室中危化品、生物制品等进行有效监管十分重要。

1.2 重大仪器设备

高校开展教学和科研工作需要必要的仪器设备。近年来由于国家对科研工作的重视，各高校加大了对实验室的建设，在各类实验室添置了大量基础实验设备和大型仪器设备，为培养高素质人才、推动学科建设提供了坚实的硬件基础。基础医学院的开放性生物医学实验平台中既有许多常规的小型仪器如离心机、电泳仪、PCR仪、显微镜、层析仪等，同时也有一些大型精密仪器如超速离心机、高效液相色谱、流式细胞仪、荧光共聚焦显微镜、荧光分光光度计、多功能酶标仪、qPCR仪、多色荧光成像仪等。其中部分价格高昂的实验设备的使用都需要进行培训，如果操作不当容易引起损坏，可能造成高昂的维修费用，甚至引发安全事故。同时，某些大功率设备在使用时若发生故障，经常会引起电力事故，甚至可能引发火灾。因此建立高效的实时监控管理系统，才能使开放平台安全有效运转。

1.3 实验人员管理

保障实验室里人员安全是实验室管理的最重要环节。实验平台管理人员和实验人员要对实验室的各种危险因素应充分了解，相应实验设备操作人员也应对相关贵重仪器设备的操作规程充分熟悉，只有在完成安全培训，熟悉了各种仪器设备的规范操作流程后，才能在实验室学习和工作时有意识地遵守各种规则，避免由于人为因素造成危害和仪器设备损坏。

1.4 实验室环境综合因素

生物医学类实验室由于试剂种类繁多、性质差异大，存放所需的的环境要求各异，需要进行分类安全存放和环境监测。另外，在实验过程中容易产生大量的废液、废气等有毒有害物质以及微生物或放射性污染物。只有对实验室的温度、湿度、空气中甲醛浓度、CO和CO2气体浓度进行有效监测及控制，关注实验室污染物的处理，才能保障实验室环境及实验工作人员的健康及安全。

2 基于物联网技术的生物实验平台安全管理

物联网技术是应用智能传感、定位系统、通信传输技术并按照一定的协议通过互联网将研究物体联系起来，对物体进行智能化通信、传输及监控的一体化管理技术[6]。随着物联网技术和信息技术在最近几年的迅速发展，其应用于实验室的安全管理已经成为了一种趋势[7-8]。将此技术应用于开放式生物医学类开放实验平台的管理及运行，将大大提高该开放应用平台的运行效率。

2.1 生物医学类实验平台系统安全管理要求

基于物联网技术的生物实验平台安全管理的核心是：实验平台管理者能应用管理系统准确高效地管理。①实验平台中的关键及危险的、有毒有害试剂的数量、剩余量及存放状态。②各类精密度高、价值昂贵的仪器设备的日常维护，安全操作与正确使用。③对进出实验室的人员信息实时掌控。④实验室环境各关键要素情况实时掌握及异常情况报警处理。

2.2 生物医学类实验平台信息数据库建立和管理

信息数据库是生物医学实验平台安全管理的基石，高效、完善的数据库建立是管理实验平台的基本要求，其中的主要内容包括：

(1) 各种试剂的信息管理及分类划分。需要收集完整的各类试剂用品信息，根据试剂药品性质进行分类存放和贮藏，将危险类、有毒有害的、易挥发的试剂药品贴上RFID(射频识别)标签，通过读卡器将各种贴有RFID标签的试剂信息读入管理系统，当试剂存放位置发生改变时，RFID进行实时传感，并将其信号通过无线通信模块自动传输到手机APP系统终端显示，从而进行实时监控管理。

(2) 各种仪器设备信息管理。开放的生物医学实验平台中的各种仪器设备的名称、数量、生产厂家、用途、基本性能参数、维护人员电话、管理人员联系方式等信息都要进行完整收集录入到管理系统。可在每台设备贴上RFID标签，并在实验室进门处安装非接触式设备读取装置。如果有人将贴有RFID标签的设备带出实验室时，非接触式设备读取装置会感知并通过实验管理系统启动安全报警，同时向值守人员和管理人员手机APP发送提示，并启动视频监控设备进行实时视频采集。

(3) 实验人员信息管理。对于进入实验平台学习和工作的各类实验人员，对其个人信息进行采集和收集分类，且对他们进行必要的安全培训和仪器设备操作培训，收集其实验内容和需要使用到的试剂、仪器设备信息。对于精密大型仪器，实验人员只有通过授权才能使用，防止没有进行培训的人员随意使用造成仪器损坏。根据实验内容，管理系统可以提示管理人员督促实验人员完成实验废弃物后期处理。

(4) 日常实验室环境数据采集及传输。在生物医学实验室中需要重点设置不同种类的传感器，对实验室中的温度、湿度、空气中CO、CO2、甲醛浓度、烟雾、PM2.5等数据进行实时传感采集，采集到的数据利用ZigBee技术传输[9-10]到计算机系统进行处理与安全指标数据进行比对、辨识，当某一指标数超出安全范围时，可通过计算机系统发出警报，迅速安全报警。

通过对上述生物医学类实验平台中各安全要素进行研究及分析，得到如图1所示的安全管理系统实现方案。

在实验平台安全管理系统中的各监控装置上安装无线通信的通用分组无线服务技术(GPRS)设备，可随时监控收集和管理各关键要素。利用手机和APP应用软件实时监控及掌握，改变了传统的必须人员到现场才能管理和监控的模式，提高了可靠性和响应速度[11-12]。其中的重要功能还包括远程集中控制、中心控制及本地运行，统一设置和临时控制，GPS电子地图、扩展图像监控、数据处理储存、重构功能，确保实验室安全管理功能的实现。

此类电路硬件控制系统可采用单片机控制及管理，各部分功能电路可采用模块化电路实现，易于实现且方便快捷。软件部分主要有两大模块，一部分为控制各模块化电路工作的单片机应用软件，可采用C语言实现，软件控制流程如图2所示，其中图2(a)是主函数程序流程图，图2(b)是仪器设备位置变更中断程序流程图,该部分在主程序中主要用来实现仪器设备位置变更检测，图2(c)是试剂位置信息管理中断程序流程图，该部分在主程序中主要用来实现试剂位置信息管理；另一部分则为手机APP应用软件、通信接口及软件开发，可采用JAVA语言实现，系统软件架构如图3所示。

(a) 主函数程序流程图(b) 试剂位置信息管理中断程序流程图(c) 仪器设备位置变更中断程序流程图

图2 软件控制流程图

2.3 单片机部分子程序

部分主程序：

#include "led.h"

#include "delay.h"

#include "sys.h"

#include "usart.h"

#include "usart3.h"

#include "SHT10.h"

#include "mq9.h"

#include "mg811.h"

#include "ka01ch2o.h"

#include "mq2.h"

#include "pm25.h"

int main(void)

{

u8 t;

u8 len;

float temp,humi;

delay_init();

NVIC_Configuration();

uart_init(9600);

USART3_Init(72,9600);

LED_Init();

SHT10_GPIO_Init();

MQ9_Init();

MQ2_Init();

MG811_Init();

KA01_CH2O_Init();

PM25_Init();

while(1)

{

humi=s_measure(HUMI);

temp=s_measure(TEMP);

calc_sth11(&humi,&temp);

Measure_CO();

Measure_CO2();

Measure_JQ();

Measure_YW();

Measure_PM25();

if(USART_STA&0x8000)

{

len=USART_STA&0x3fff;

for(t=0;t

{

USART1->DR=USART_BUF[t];

while((USART1->SR&0X40)==0);

}

USART_STA=0;

}

}

}

仪器设备位置变更中断程序：

void EXTI9_5_IRQHandler(void)

{

if(Reagent_position_change==1)

{

Save_Inf();

for(t=0;t

{

USART2->DR=USART_BUF[t];

while((USART2->SR&0X40)==0);

}

}

EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line5);

}

试剂信息管理中断程序：

void EXTI0_IRQHandler(void)

{

if(EQU_OUT==1)

{

START_UP_ALARM();

for(t=0;t

{

USART1->DR=USART_BUF[t];

while((USART1->SR&0X40)==0);

}

START_UP_VIDEO();

}

EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);

}

3 生物医学类实验室安全管理展望

应用物联网信息技术[13]构建生物医学类实验平台安全管理系统已成为必然趋势，越来越受到各高等院校科研院所的重视，建立实验室危险试剂数据库、实验室重大精密仪器数据库、实验室环境关键要素指标数据库，利用GPRS无线技术[14-16]、RFID、环境监测关键要素传感技术来高效率实时安全管理生物医学类实验平台，使管理者能方便、快捷掌握实验室动态信息，加强实验平台安全管理，提高工作效率，同时也能降低管理成本，保障高校和科研单位教学与科研的正常进行。

4 结 语

随着实验室安全工作宣传的进一步深化，安全意识在每一位管理者和实验人员心中得到增强，大家都希望改进原有的管理方式，使实验室在安全高效的基础上其开放程度大大加强。应用物联网的智能传感及通信传输技术建立的实验平台安全管理系统管理实验室平台，可以保证生物医学类实验平台的安全建设工作得到有力推进，管理效率和开放程度得到提高，保证教学科研工作顺利进行。